Synchrónne motory s permanentnými magnetmi: Návrh a aplikácia konštrukcie rotora pre vysoko{0}}rýchlostnú prevádzku v prostredí s vysokou-teplotou

V špičkových{0}}oblastiach, ako je letecký a kozmický priemysel, prieskum ropy,{1}}výroba špičkových zariadení a nové energetické vozidlá, vysokorýchlostné-synchrónne motory s permanentnými magnetmi(PMSM) v prostredí s vysokou{0}}teplotou sa stali základnými komponentmi systémov pohonov vďaka ich základným výhodám vysokej účinnosti, úspory energie, vysokej hustoty výkonu a vysokej rýchlosti odozvy. Ako kľúčový nosič pre konverziu energie motora, konštrukcia rotora priamo určuje prevádzkovú stabilitu, výstupný výkon a životnosť motora v dvojitých drsných pracovných podmienkach vysokej teploty (zvyčajne sa vzťahuje na prevádzkovú teplotu väčšiu alebo rovnú 150 stupňom) a vysokej rýchlosti (otáčky väčšie alebo rovné 10 000 ot./min.). Tento článok, ktorý kombinuje technické postupy v odvetví a najnovšie výsledky výskumu, podrobne popisuje hlavné body návrhu, hlavné typy, výber materiálov a optimalizačné stratégie rotorovej štruktúry vysokorýchlostných PMSM vo vysokoteplotnom prostredí, poskytuje profesionálnu referenciu pre odborníkov z odvetvia a uľahčuje inováciu súvisiacich technológií a implementáciu produktov.

Spojenie vysoko{0}}teplotných a vysokorýchlostných duálnych pracovných podmienok predstavuje tri základné prísne požiadavky na štruktúru rotora: po prvé, odolnosť voči vysokej teplote a anti-demagnetizácia. Vysoká teplota povedie k zoslabeniu magnetických vlastností permanentných magnetov a dokonca k nevratnej demagnetizácii, čo priamo ovplyvní výkon motora; po druhé, proti-odstredivému a -vylievaniu. Obrovská odstredivá sila generovaná vysokou-otáciou pravdepodobne spôsobí bezpečnostné riziká, ako je deformácia konštrukcie rotora a uvoľnenie permanentného magnetu; po tretie, riadenie nízkych strát a nárastu teploty. Strata vírivého prúdu rotora sa bude zvyšovať so zvyšujúcou sa rýchlosťou otáčania, čím sa ďalej zvyšuje teplota, čím sa vytvorí začarovaný kruh „vysokoteplotnej - straty - demagnetizácie“. Preto musí konštrukcia rotora vyvážiť tri základné požiadavky, ktorými sú odolnosť voči vysokej teplote, anti-odstredivá sila a nízke straty.

V súčasnosti majú rotorové štruktúry vysokú-rýchlosťsynchrónne motory s permanentnými magnetmiPMSM vhodné pre vysokoteplotné-prostredia sa delia hlavne do troch kategórií: interné-montované, povrchové-montované a kompozitné. Každý typ konštrukcie má svoje vlastné zameranie na logiku návrhu a výber materiálu podľa príslušných scenárov, pričom zohľadňuje praktickosť a spoľahlivosť a pokrýva potreby rôznych pracovných podmienok pri vysokých-teplotách a pri vysokej{5}}rýchlosti.

Vnútorná-konštrukcia rotora je najpoužívanejším typom v scenároch s vysokou-teplotou a vysokou-rýchlosťou. Jeho hlavnou výhodou je, že permanentné magnety sú zabudované vo vnútri jadra rotora, čím sa zabráni priamemu vystaveniu permanentných magnetov vysokoteplotným -prostrediam a zároveň sa spolieha na štruktúru jadra, aby zlepšila mechanickú pevnosť rotora a odolávala vysokej-odstredivej sile. Túto štruktúru možno ďalej rozdeliť na zabudované a vnútorné magnetické bariérové ​​štruktúry. Vstavaná štruktúra fixuje permanentné magnety cez štrbiny v jadre rotora a spevňuje ich vysokoteplotne odolnými lepidlami, aby sa zabránilo posúvaniu permanentných magnetov pri vysokej-otácii; Štruktúra vnútornej magnetickej bariéry blokuje dráhu vírivých prúdov nastavením viacerých vrstiev magnetických bariér, znižuje straty rotorového vírivého prúdu, znižuje amplitúdu nárastu teploty a súčasne zlepšuje účinok magnetického tienenia na ochranu permanentných magnetov pred vonkajším rušením magnetického poľa.

Vnútorná-štruktúra rotora je vhodná pre scenáre s rýchlosťou otáčania 10 000-30 000 otáčok/min a prevádzkovou teplotou 150-250 stupňov, ako sú motory podporujúce letecké-motory a motory čerpadiel s vysokou-teplotou. Pokiaľ ide o výber materiálu, jadro rotora väčšinou používa nízkostratové neorientované plechy z kremíkovej ocele s hrúbkou 0,2 mm alebo menej, ako napríklad Baosteel B20AT1200, ktoré môžu účinne znížiť straty v jadre; permanentné magnety uprednostňujú vysokoteplotnú samáriovú-kobaltovú (SmCo) magnetickú oceľ alebo vysokoteplotnú -neodýmovú-železo{19}}bórovú (NdFeB) magnetickú oceľ. Medzi nimi magnetická oceľ SmCo má Curieovu teplotu 700 - 800 stupňov, čo môže účinne zabrániť vysokoteplotnej demagnetizácii a splniť potreby scenárov so strednou a vysokou teplotou.

Povrchová-štruktúra rotora má dizajn, v ktorom sú permanentné magnety prilepené priamo na povrch rotora, čo má výhody jednoduchej konštrukcie, vysokej účinnosti magnetickej väzby a vysokej hustoty výkonu a je vhodné pre scenáre s vysokou-rýchlosťou a vysokou{2}}hustotou výkonu pri vysokých{3}}teplotách. Na zvládnutie výziev vysokej teploty a vysokej rýchlosti sa táto štruktúra musí zamerať na riešenie problémov fixácie permanentných magnetov a anti-demagnetizácie: permanentné magnety sa vyberajú z magnetickej ocele SmCo s vynikajúcou vysokou-teplotnou odolnosťou alebo nových samáriových-železných-dusíkových (SmFeN) magnetov. Medzi nimi magnety SmFeN majú Curieovu teplotu až 470 stupňov, stále dokážu udržiavať silný magnetizmus nad 200 stupňov a môžu dosiahnuť stabilnú prevádzku pri vysokých teplotách bez ťažkých vzácnych zemín; zároveň je na povrchu permanentných magnetov obalená ochranná manžeta s vysokou{12}}pevnosťou, ktorá využíva hlavne kompozitné manžety z uhlíkových vlákien, ktorých pevnosť v ťahu je 3-5-krát väčšia ako u tradičných kovov, a je ne-magnetická a nevodivá,{16}}ktorá dokáže účinne odolať vysokorýchlostnému odstredivému nárastu teploty a vyhnúť sa strate odstredivého prúdu pri vysokých rýchlostiach.

Navyše, povrchová{0}}konštrukcia rotora môže ďalej znižovať straty vírivými prúdmi a optimalizovať efekt rozptylu tepla otvorením obvodových plytkých drážok na objímke a pridaním medených tieniacich krúžkov medzi permanentné magnety a objímku. Je vhodný pre scenáre s rýchlosťou otáčania 20 000-40 000 ot./min. a prevádzkovou teplotou 180 – 300 stupňov , ako sú napríklad motory pohonu nových energetických vozidiel a motory podporujúce vysokorýchlostné kompresory.

Kompozitná štruktúra rotora je optimalizovaný dizajn, ktorý kombinuje výhody interných -namontovaných a povrchových{1}} štruktúr. Jeho jadrom je, že časť permanentných magnetov je zapustená v jadre rotora a časť je prilepená na povrch rotora, pričom sa berie do úvahy mechanická pevnosť a magnetický výkon. Jadro rotora tejto konštrukcie je vyrobené z vysokoteplotných{4}}plechov z kremíkovej ocele alebo z laminovaného mäkkého magnetického kompozitu (SMC). Materiál SMC má izotropnú magnetickú permeabilitu, ktorá dokáže účinne potlačiť vysoko-stratu vírivých prúdov a je vhodná pre vysoko-rýchlostné a vysokofrekvenčné{8}}scenáre; vložené permanentné magnety sa používajú na zlepšenie preťaženia motora a permanentné magnety- namontované na povrchu sa používajú na zlepšenie hustoty výkonu a strata vírivých prúdov sa znižuje optimalizáciou konštrukcie magnetického obvodu.

Na ďalšie zlepšenie odolnosti voči vysokým{0}}teplotám je kompozitná konštrukcia rotora zvyčajne vybavená-vstavanými chladiacimi kanálmi a technológia chladenia oleja sa používa na privádzanie chladiacej kvapaliny do rotora na súčasné chladenie magnetickej ocele a ložísk, čím sa účinne riadi teplota rotora, čo je vhodné pre prevádzkovú teplotu 200 – 300 stupňov .